CN102853817A - 一种动力定位船舶的纵横摇周期测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶动力定位领域，具体涉及一种适用于动力定位船舶的纵横摇周期测量方法。本发明包括：（1）获取船体纵横摇角度，动力定位系统的采样频率f₁，其中f₁小于波浪的高频振荡频率f；（2）对纵横摇角度进行滤波去噪处理；（3）根据滤波去噪后的纵横摇角度值，获取船体纵横摇周期。相比于传统硬件周期测量方法，本发明不需要额外的实体装置，只利用动力定位系统中的运动传感器，给出船体摇摆周期，使用方式更加简便。操作员不必单纯凭借经验对外部海洋环境进行估计，进一步完善了船舶动力定位系统。

Description

一种动力定位船舶的纵横摇周期测量方法

技术领域

本发明涉及船舶动力定位领域，具体涉及一种适用于动力定位船舶的纵横摇周期测量方法。 

背景技术

船舶动力定位是一种通过使用船上安装的多个推进器来抵抗海洋环境的干扰，实现对船舶位置和艏向进行控制的技术，其目前已被广泛应用于海洋资源开发的诸多领域。动力定位系统需要受过培训的专门操作员（Dynamic Positioning Operator简称为DPO）进行操作。船舶进行动力定位作业时，外界环境干扰包括海风、海浪和海流。海浪的形成有各种原因，例如风、海啸和潮汐都能引起海浪。最常见的海浪是由风形成的海浪，也就是常说的风浪。海浪可以分为高频和低频两部分，高频海浪会使船体产生围绕船舶的纵横摇运动主要是由于海流主要是由潮汐、风、海水密度不同等因素引起的，海流的变化时非常缓慢的，所以它可以被认为是定常干扰。动力定位系统中通常带有风速和风向传感器，可以通过海风的测量，对风所产生的扰动进行前馈补偿，而海浪和海流一般无法直接测量，只能通过反馈方式进行补偿。鉴于前述的风浪流关系和动力定位系统的控制原理，有经验的DPO可以通过对船体纵横摇角度和摇摆周期的数据分析，粗略估计当前的海况，从而更好地进行动力定位系统操作。当前对于周期测量问题，通常利用硬件进行，如果利用硬件方法测量船体纵横摇周期，还需搭建额外的硬件电路，并且需要外部信号提示何时到达运行周期。 

发明内容

本发明的目的在于提出了一种使用方式简便，利用船体纵横摇角度测量船体摇摆周期的方法。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明包括如下步骤： 

（1）获取船体纵横摇角度，动力定位系统的采样频率f1，其中f1小于波浪的高频振荡频率f； 

（2）对纵横摇角度进行滤波去噪处理； 

（3）根据滤波去噪后的纵横摇角度值，获取船体纵横摇周期。 

所述的对纵横摇角度进行滤波去噪处理后的数据为： 

$y\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k}y(n-k)+\underset{k=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k}x(n-k),$

其中x(·)为滤波前原始测量数据，y(·)为滤波后测量数据，a_k、b_k为滤波器参数。 

所述船体纵横摇周期为： 

T＝2t(n_i-m_i)/L， 

其中t为运动传感器采样周期，T为纵横摇周期，L为波峰和波谷总数，当(y_i-y_i-1)(y_i+1-y_i)≤0时，m_i为L长度数据段中，第一个波峰/谷的数据点序号，n_i表示L长度数据段中，最后一个波峰/谷的数据点序号。 

本发明的有益效果在于： 

相比于传统硬件周期测量方法，本发明不需要额外的实体装置，只利用动力定位系统中的运动传感器，给出船体摇摆周期，使用方式更加简便。操作员不必单纯凭借经验对外部海洋环境进行估计，可以全时段全天候提供精确的纵横摇周期数据，进一步完善了船舶动力定位系统。 

附图说明

图1为动力定位船舶纵横摇周期测量方法示意图； 

图2为运动传感器示和动力定位显控台连接形式示意图； 

图3为船体纵摇角度的原始测量值示意图； 

图4为船体横摇角度的原始测量值示意图； 

图5为船舶纵摇角度示意图； 

图6为船舶横摇角度示意图； 

图7为纵摇周期计算值示意图； 

图8为横摇周期计算值示意图。 

具体实施方式

本发明的目的是为了解决DPO进行船舶动力定位作业时无法直观得到船体纵横摇周期的问题，提出了一种利用运动传感器测量船体纵横摇角度，经过对角度的分析计算，得到船体摇摆周期的方法。 

船体上任意两个点的纵横摇角度不尽相同，只有船体重心处的纵横摇角度均值为零，可以反映刚性船体的实际摇摆情况，但是船体各点的摇摆周期和到达波峰波谷的时刻是相同的，基于这一原理，本发明不要求纵横摇角度测量值均值为零。 

获得测量值后，设定动力定位系统的采样频率f₁，要求f₁远远小于波浪的高频振荡频率f，避免由于采样数据点间隔过长影响计算。其次对测量得到的船舶纵横摇角度值进行滤波， 因为运动传感器的测量值一般包括传感器本身的超高频噪声，噪声的频率通常远高于被测量的频率。高频海浪的周期一般都会大于5秒，利用截止频率为0.2赫兹的二阶无限长单位冲击响应低频滤波器对测量数据进行滤波，滤波会对测量数据造成时间域的延迟，但每个数据点的延迟时间是相同的，所以不会影响周期计算精度： 

x(·)为滤波前原始测量数据 

y(·)为滤波后测量数据 

a_k、b_k为滤波器参数 

$y\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k}y(n-k)+\underset{k=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k}x(n-k)$

得到滤波后角度值，进行周期计算，定义变量如下： 

t：运动传感器采样周期 

y_i：某个纵（横）摇角度数据测量值，m_i为此数据点序号 

y_i-1：前一个纵（横）摇角度数据测量值，m_i-1为此数据点序号 

y_i+1：下一个纵（横）摇角度数据测量值，m_i+1为此数据点序号 

T：纵（横）摇周期 

角度波峰波谷的判定方法为： 

如果(y_i-y_i-1)(y_i+1-y_i)≤0，则y_i为波峰/谷数据点，n_i为m_i后续第一个波峰/谷数据点的序号，每半个摇摆周期包括一个波峰和一个波谷，在此引入正整数L（表示计算时用到的波峰和波谷总数），周期计算公式为： 

T＝2t(n_i-m_i)/L 

m_i表示L长度数据段中，第一个波峰/谷的数据点序号，n_i表示L长度数据段中，最后一个波峰/谷的数据点序号。 

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述，实施步骤如下： 

如图1所示，首先通过运动传感测量船体纵横摇角度，然后对测量数据进行低频滤波，再根据动力定位操作员对于数据段长度的设置，记录波峰波谷并进行周期计算 

（1）设船舶在某海况下进行动力定位作业，此时船舶采用图2中的硬件连接形式对船体纵横摇周期进行计算，包括一台运动传感器和内嵌周期计算软件的动力定位显控台，运动传感器靠船体右舷、在船体中部安装，以获得均值为零和不为零的两组横摇测量数 据； 

（2）测量船体在给定海洋环境下的纵横摇角度，得到包括传感器噪声的测量值如图3、4所示； 

（3）设计归一化截止频率为0.2赫兹，归一化截止频率为0.1320的二阶巴特沃斯低频滤波器对测量值进行滤波，滤波器形式如下： 

x(·)为滤波前测量数据 

y(·)为滤波后数据 

a_k＝[1-1.42460.5565]、b_k＝[0.03300.06600.0330]为滤波器参数 

$y\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k}y(n-k)+\underset{k=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k}x(n-k)$

图5、6为滤波后的船体纵横摇角度。 

（4）得到去噪声的纵横摇高频角度值后，进行周期计算，选取数据段长度为L＝10，运动传感器采样周期为0.2s，进行周期计算，计算结果如图7、8所示。 

实例说明了本发明可以通过纵横摇角度计算船体纵横摇周期，为动力定位操作员提供准确、可靠的数据。 

Claims (3)

1.一种动力定位船舶的纵横摇周期测量方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）获取船体纵横摇角度，动力定位系统的采样频率f1，其中f1小于波浪的高频振荡频率f；

（2）对纵横摇角度进行滤波去噪处理；

（3）根据滤波去噪后的纵横摇角度值，获取船体纵横摇周期。

2.根据权利要求1所述的一种动力定位船舶的纵横摇周期测量方法，其特征是，所述的对纵横摇角度进行滤波去噪处理后的数据为：

$y\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k}y(n-k)+\underset{k=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k}x(n-k),$

其中x(·)为滤波前原始测量数据，y(·)为滤波后测量数据，a_k、b_k为滤波器参数。

3.根据权利要求1或2所述的一种动力定位船舶的纵横摇周期测量方法，其特征是，所述船体纵横摇周期为：

T＝2t(n_i-m_i)/L，

其中t为运动传感器采样周期，T为纵横摇周期，L为波峰和波谷总数，当(y_i-y_i-1)(y_i+1-y_i)≤0时，m_i为L长度数据段中，第一个波峰/谷的数据点序号，n_i表示L长度数据段中，最后一个波峰/谷的数据点序号。

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